JP2003254071A - エンジンの燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】エンジンのＮＯｘ浄化性能、燃費を改善する。 【解決手段】アイドル域で可変動弁機構をバルブオーバ
ラップ量最小となるように制御したとき、動作遅れによ
る残留ガス率の増加分を、定常運転状態での残留ガス基
本値と実際の残留ガス率推定値との差分として算出し、
該差分とエンジン回転速度とに基づいて、残留ガス増加
分に見合ったスワールコントロールバルブの開口面積減
量補正分を算出し、該バルブの開度を制御する構成とし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流動制御弁によっ
て燃焼室内のガス流動を制御しつつ燃焼状態を制御する
技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】車両用の火花点火エンジンでは、パーシ
ャル域で排気の一部を吸気系に還流させるＥＧＲを行う
ことが一般的であり、これにより、シリンダ内の不活性
ガスを増加させることにより、燃焼を緩慢にさせてＮＯ
ｘを低減できると同時に、シリンダ内の吸気圧力を増加
させポンピングロスを低減させて燃費を改善することが
できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＥＧＲシステ
ムでは、ＥＧＲ制御弁、バイパス管の設置等、コストが
高くなると同時に、レイアウトに制約を受けるという問
題があった。そこで、同じくＮＯｘ低減と燃費低域を目
的に、可変動弁機構を利用して吸・排気弁のバルブオー
バラップ量を拡大し不活性ガスである残留ガスの量を増
加させる技術があるが、残留ガス量が増加しすぎると燃
焼が緩慢となって燃焼安定性が悪化する。

【０００４】この対策として、流動制御弁、例えば、燃
焼室内のスワールを制御するスワールコントロールバル
ブを用いて、ガス流動を強化し、燃焼を促進させること
が有効である。特開２０００−１６１１１９号公報に開
示される技術では、エンジンの回転変動を検出しつつ、
変動値が所定レベルを超えたときに、スワールを強化し
て燃焼安定化を図っている。

【０００５】しかしながら、燃焼悪化に伴う回転変動を
検出してから、ガス流動を強化しても、遅れによって燃
焼悪化を速やかに抑制することができず、エンストを生
じてしまうことがあった。本発明は、このような課題に
着目してなされたもので、燃焼室内のガス流動を残留ガ
ス量に見合うように応答性良く制御することにより、過
渡時の燃焼安定性を確保すると同時に、定常運転時の残
留ガス量を可能な限り増加させることにより、燃費改
善、ＮＯｘ低減をより高めたエンジンの燃焼制御装置を
提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１に係
る発明は、燃焼室内のガス流動を制御することにより燃
焼状態を制御する流動制御弁を備えたエンジンの燃焼制
御装置であって、燃焼室内の残留ガス量を推定し、該推
定した残留ガス量に基づいて前記流動制御弁を制御する
ことを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。

【０００７】請求項１に係る発明によると、残留ガス量
を推定しつつ流量制御弁を制御することにより、過渡運
転時に安定した燃焼性を確保してエンストを未然に防止
できると共に、定常運転時には過渡時の残留ガス増加分
を考慮することなく、可能な限り残留ガス量を大きくす
ることができるので、十分に排気浄化性能、燃費を改善
することができる。

【０００８】また、請求項２に係る発明は、吸・排気弁
のバルブオーバラップ量が目標値より大きいときに、前
記流動制御弁を、燃焼室内のガス流動が強化されるよう
に制御することを特徴とする。請求項２に係る発明によ
ると、吸・排気弁のバルブオーバラップ量が目標値より
大きく、残留ガス量が目標値より大きくなる過渡運転時
に流動制御弁を、燃焼室内のガス流動が強化されるよう
に制御することにより、残留ガス増大分による燃焼性悪
化を防止できる。

【０００９】また、請求項３に係る発明は、エンジン運
転領域毎に予め算出された残留ガス率の基本値と、推定
による実際の残留ガス率とを比較して、流動制御弁の補
正制御量を算出し、流動制御弁を補正制御することを特
徴とする。請求項３に係る発明によると、定常運転に応
じた残留ガス率の基本値と、過渡運転時に変化する実際
の残留ガス率との相違に応じて、流動制御弁の補正制御
量を適切に算出して補正制御することができる。

【００１０】また、請求項４に係る発明は、前記流動制
御弁の補正制御量を、残留ガス率の基本値と推定による
実際の残留ガス率との差分と、エンジン回転速度とに基
づいて算出することを特徴とする。請求項４に係る発明
によると、流動制御弁が同一に制御されても、エンジン
回転速度によってもガス流動が変化するので、前記残流
ガス率の差分とエンジン回転速度とに基づいて、高精度
に補正制御量を算出することができる。

【００１１】また、請求項５に係る発明は、推定による
残留ガス量から直接流量制御弁の制御量を算出し、該制
御量で流量制御弁を制御することを特徴とする。請求項
５に係る発明によると、運転状態に応じて変化する残留
ガス量の推定値に基づいて、直接流量制御弁の制御量を
算出しつつ高精度に制御することができる。

【００１２】また、請求項６に係る発明は、前記流動制
御弁は、吸気ポートの開口面積を制御して燃焼室内のス
ワールを制御する弁であることを特徴とする。吸気ポー
トの開口面積を制御することにより、燃焼室内に流入す
る吸気の流速や流動中心線の位置が変化し、スワール比
（スワール強さ）を可変に制御することができ、燃焼性
を効果的に制御できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態のシステム構
成を示す図１において、エンジン（内燃機関）１の吸気
弁２、排気弁３は、それぞれ吸気弁用カム４、排気弁用
カム５によって駆動され、特に、吸気弁用カム４は電磁
ブレーキ式、油圧制御式（電磁式油圧制御弁の制御）等
の可変動弁機構（ＶＴＣ）４１によりクランク軸に対す
る回転位相を可変に制御され、それによって吸気弁２の
バルブタイミングが可変に制御される。ただし、本発明
の適用には、吸気弁または排気弁の少なくとも一方のバ
ルブタイミングが可変であって、吸・排気弁のバルブオ
ーバラップ量を可変とできる構成とすればよく、また、
バルブタイミングの他、リフト量も可変とする構成であ
ってもよい。

【００１４】エンジン１の燃焼室６の中心部にはパワー
トランジスタを内蔵した点火コイル７によって点火駆動
される点火プラグ８が装着される。エンジン１の吸気通
路９には、上流側からエアクリーナ１０、電子制御式の
スロットル弁１１、気筒毎に分岐する各吸気ポート部分
に燃焼室内のスワール（ガス流動）を制御するスワール
コントロールバルブ（流動制御弁）１２及び燃料を噴射
する燃料噴射弁１３が介装されている。

【００１５】エンジン１の排気通路１４には、機能が同
一または異なる２つの排気浄化触媒１５，１６、マフラ
ー１７が介装されている。各種センサとして、吸気通路
９のスロットル弁１１の上流側に吸入空気量を検出する
エアフローメータ１８、下流側に吸気圧力を検出する吸
気圧センサ１９が装着され、排気通路１４の排気浄化触
媒１５の上流側に排気温度を検出する排気温度センサ２
０、排気中酸素濃度の検出を介して空燃比を検出する空
燃比センサ２１が装着され、さらに、エンジン本体にエ
ンジン冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ２２、エン
ジン回転速度検出用として単位クランク角毎にＰＯＳ信
号を出力すると共に気筒間行程位相差（７２０°／気筒
数）毎にＲＥＦ信号を出力するクランク角センサ２３、
吸気弁用カム４の回転に同期して気筒判別用のＰＨＡＳ
Ｅ信号を出力するカムセンサ２４、ユーザーにより操作
されるアクセル開度を検出するアクセル開度センサ２５
が装着されている。

【００１６】前記各種センサからの検出信号は、コント
ロールユニット３１に入力され、コントロールユニット
３１は、これら入力した検出信号に基づいてエンジン運
転状態に応じた各種エンジン制御、具体的には、前記点
火コイル７を介しての点火プラグ８による点火制御、燃
料噴射弁１３による燃料噴射制御、前記吸気弁用カム
４、排気弁用カム５による吸・排気弁のバルブタイミン
グ制御を行うと共に、本発明にかかる制御として、燃焼
室内の残留ガス量を推定しつつ前記スワールコントロー
ルバルブ１２による燃焼室のガス流動制御を介して燃焼
状態を制御する。

【００１７】上記スワールコントロールバルブによる制
御の概要を、図２の制御ブロック図と図３のメインルー
チンのフローチャートを参照して説明する。図２におい
て、残留ガス率算出部は、エンジン回転速度Ｎｅ、バル
ブオーバラップ量Ｏ／Ｌ、スロットル弁下流の吸気圧Ｐ
ａ、排気温度Ｅｔ、吸入空気量Ｑａに基づいて、現在の
エンジン状態に応じた燃焼室内の残留ガス率を推定によ
り算出する。

【００１８】残留ガス率基本値算出部は、エンジン回転
速度Ｎｅとエンジン負荷を代表する基本燃料噴射量（燃
料噴射パルス幅基本値）Ｔｐとに基づいて、定常運転状
態での残留ガス率基本値を算出する。スワールコントロ
ールバルブ基本開口面積算出部は、エンジン回転速度Ｎ
ｅとアクセル開度Ａｃｃとに基づいて、定常運転状態で
のスワールコントロールバルブ１２の基本開口面積を算
出する。

【００１９】スワールコントロールバルブ開口面積補正
判定部は、前記スワールコントロールバルブ１２の基本
開口面積、エンジン回転速度Ｎｅ、バルブオーバラップ
量Ｏ／Ｌ、アクセル開度Ａｃｃに基づいて、スワールコ
ントロールバルブ１２の開口面積を補正するか否かを判
定する。スワールコントロールバルブ開口面積補正量算
出部は、前記スワールコントロールバルブ１２の基本開
口面積、エンジン回転速度Ｎｅ、残留ガス率基本値、基
本燃料噴射量（燃料噴射パルス幅基本値）Ｔｐに基づい
て、スワールコントロールバルブ１２の開口面積補正量
を算出する。

【００２０】目標スワールコントロールバルブ開度算出
部は、前記スワールコントロールバルブ１２の基本開口
面積、開口面積補正量、開口面積を補正するか否かの判
定結果に基づいて、補正の有無に応じた開口面積に対応
する目標開度を算出する。上記のように算出した目標開
度となるようにスワールコントロールバルブ１２が制御
される。

【００２１】図３は、上記スワールコントロールバルブ
による制御のメインルーチンのフローチャートを示す。
ステップ１では、エンジン回転速度Ｎｅとアクセル開度
Ａｃｃ（又は目標スロットル開度）とに基づいて、図９
に示したマップからの参照により、定常運転状態でのス
ワールコントロールバルブ１２の開口面積基本値を算出
する（図２のスワールコントロールバルブ基本開口面積
算出部）。

【００２２】ステップ２では、スワールコントロールバ
ルブ１２の開口面積を補正するか否かを判定する（図２
のスワールコントロールバルブ開口面積補正判定部）。
ステップ３では、前記判定結果を示すスワールコントロ
ールバルブ開口面積補正判定フラグの値を判別する。前
記判定フラグが１である開口面積補正時は、ステップ４
へ進んで、スワールコントロールバルブ１２の開口面積
補正量を算出する（図２のスワールコントロールバルブ
開口面積補正量算出部）。

【００２３】前記判定フラグが０のときは、開口面積補
正を行わないので、ステップ５へ進んで、スワールコン
トロールバルブ１２の開口面積補正量を０とする。ステ
ップ６では、スワールコントロールバルブ１２の最終的
な目標開口面積を、前記基本開口面積から開口面積補正
量を減算することによって算出する（図２のスワールコ
ントロールバルブ開口面積補正量算出部）。

【００２４】ステップ７では、図１０に示した目標開口
面積−目標開度の変換テーブルを参照して、前記目標開
口面積を目標開度に変換する（図２の目標スワールコン
トロールバルブ開度算出部）。図４は、上記図３のステ
ップ２で行うスワールコントロールバルブ開口面積補正
判定のサブルーチンを示す。

【００２５】ステップ１１では、エンジン回転速度Ｎｅ
とアクセル開度Ａｃｃに基づいて、前記可変動弁機構
（ＶＴＣ）４１の動作角目標値を、マップから参照して
設定する。ここで、可変動弁機構４１が、吸気弁３をバ
ルブオーバラップ量が増大する方向つまり進角方向に動
作させるときの、クランク角相当の動作量の目標値を目
標動作角として設定する。

【００２６】ステップ１２では、前記ＶＴＣ動作角の現
在値から前記目標動作角を減算した値が所定値（＞０）
以上大きいか、つまり、現在の吸気弁３のバルブタイミ
ングが目標値より所定値以上進角側にずれているかを判
定する。ここで、ＶＴＣ動作角の現在値は、前記クラン
ク角センサからのＲＥＦ信号及びＰＯＳ信号と、カムセ
ンサからのＰＨＡＳＥ信号とに基づいて算出される。吸
気弁３が進角側にずれると、バルブオーバラップ量が目
標値より大きく、残留ガス率が目標値より大きくなって
燃焼性を低下させるので、スワールを強化して該燃焼性
低下を抑制する。

【００２７】ステップ１２で動作角の現在値が目標動作
角より所定値以上大きいと判定されたときは、ステップ
１３へ進み、スワールコントロールバルブ１３が全閉で
ないか、つまり閉じ代を有しているかを判定し、全閉で
ないと判定されたときは、ステップ１４へ進んで、スワ
ールコントロールバルブ１２の開度を減少補正してスワ
ールを強化させるように、スワールコントロールバルブ
開口面積補正フラグを１にセットする。

【００２８】図５は、上記図３のステップ４で行うスワ
ールコントロールバルブ開口面積補正量算出のサブルー
チンを示す。ステップ２１では、エンジン回転速度Ｎｅ
と、基本燃料噴射量（燃料噴射パルス幅基本値）Ｔｐか
ら図１１に示したマップを参照して残留ガス率基本値を
算出する。

【００２９】ステップ２２では、現在の実際の残留ガス
率を推定により算出する。ステップ２３では、前記現在
の残留ガス率と残留ガス率基本値との差分を算出する。
残留ガス率差分＝現在の残留ガス率−残留ガス率基本値
ステップ２４では、エンジン回転速度Ｎｅと前記残留ガ
ス率差分から図１２に示したマップを参照して、スワー
ルコントロールバルブ開口面積補正量を算出する。

【００３０】図６は、上記図５のステップ２２で行う残
留ガス率算出のサブルーチンを示す。ステップ３１で
は、検出された排気温度に基づいて、図１３に示したテ
ーブルを参照して残留ガス質量基本値を設定する。ステ
ップ３２では、前記ＶＴＣ動作角に基づいて、図１４に
示したテーブルを参照してバルブオーバラップ量Ｏ／Ｌ
を設定する。

【００３１】ステップ３３では、前記バルブオーバラッ
プ量Ｏ／Ｌが、０より大きい正の値であるか否かを判定
する。バルブオーバラップ量Ｏ／Ｌが正の値と判定され
たときは、ステップ３４へ進み、該バルブオーバラップ
量Ｏ／Ｌとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて、バルブ
オーバラップしているバルブオーバラップＯ／Ｌ時間を
算出する。

【００３２】ステップ３５では、前記Ｏ／Ｌ時間と、吸
気圧力Ｐａとに基づいて、該バルブオーバラップＯ／Ｌ
時間中に、排気ポートを介して燃焼室内に吹き抜けるガ
ス（排気）の体積を、図１５に示したマップを参照して
算出する。ステップ３６では、前記吹き抜けガスの体積
と排気温度とに基づいて、該吹き抜けガスの質量を、図
１６に示したマップを参照して算出する。

【００３３】ステップ３７では、次式のように、残留ガ
ス質量を、前記残留ガス基本値に前記吹き抜けガス質量
を加算して算出する。残留ガス質量＝残留ガス基本値＋
吹き抜けガス質量ステップ３８では、次式のように、前
記残留ガス質量と吸入空気質量とに基づいて残留ガス率
を算出する。

【００３４】残留ガス率＝残留ガス質量／（残留ガス質
量＋吸入空気質量）×100［％］ なお、ステップ３３で前記バルブオーバラップ量Ｏ／Ｌ
が、０以下と判定されたときは、吹き抜けガス質量を０
としてステップ３７へ進む。この場合は、残留ガス質量
は残留ガス基本値となる。図７は、本実施形態による制
御時の様子を示す。

【００３５】アイドル域で、ＶＴＣ動作角目標値がバル
ブオーバラップ量Ｏ／Ｌを最小とする値に設定される
と、ＶＴＣの動作遅れにより実際の動作角の変化に遅れ
を生じ、バルブオーバラップ量Ｏ／Ｌは、目標値より大
きくなる。その結果、前記バルブオーバラップ量Ｏ／Ｌ
の目標値に対する増大分と、エンジン回転速度Ｎｅと、
吸気圧力とで決まる残留ガスの過渡時増大分を生じる。

【００３６】そこで、スワールコントロールバルブの開
度を、アイドル域での目標値に対し、前記残留ガスの過
渡時増大分に見合って量だけ減少して、スワールを強化
することにより、燃焼悪化が抑制されエンストを未然に
防止できる。従来、過渡時の残留ガス増加分を考慮し
て、ＶＴＣ制御によるバルブオーバラップ量を予め小さ
めに設定して残留ガス量を少なくしておく方式では、残
留ガス量が要求値より少ないため、十分に排気浄化性
能、燃費を改善することができないが、本発明では、過
渡運転時にリアルタイムで残留ガス量増加分を推定した
制御を行い、定常運転時には過渡時の残留ガス増加分を
考慮することなく、可能な限り残留ガス量を大きくする
ことができるので、十分に排気浄化性能、燃費を改善す
ることができる。

【００３７】また、過渡時の残留ガス増加分を推定して
フィードフォワードでスワールコントロールバルブの開
度を減少補正することにより、燃焼性悪化に起因する回
転変動を検出してからスワールコントロールバルブの開
度を補正するフィードバック方式に比較して、遅れの無
い開度補正制御によって燃焼性悪化ひいてはエンストの
発生を未然に防止できる。

【００３８】図８は、残留ガス率とスワールコントロー
ルバルブの開口面積との関係を示し、定常運転時の開口
面積設定点に対し、過渡運転時の残留ガス量増大による
燃焼悪化傾向の増大に応じて開口面積を減少補正するこ
とにより、燃焼安定領域に維持させることができること
を表している。上記実施形態では、定常運転時に見合っ
たスワールコントロールバルブの開度を過渡運転時に推
定される残留ガス量増大分だけ、減少補正する構成とし
たが、定常、過渡に関わり無く、常時実際の残留ガス量
の算出値に見合ったスワールコントロールバルブの開度
を算出して制御する構成としてもよい。即ち、図６のフ
ローチャートで残留ガス率を算出し、図１７に示すフロ
ーチャートにより、ステップ４１で、残留ガス率とエン
ジン回転速度Ｎｅとに基づいて、図１８に示すようなマ
ップを参照して直接スワールコントロールバルブの開口
面積を算出し、ステップ４２で図１０のテーブルにより
開口面積−開度変換を行ってスワールコントロールバル
ブの開度を算出して制御する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係るシステム構成図。

【図２】同上実施形態の制御ブロック図。

【図３】同じくスワールコントロールバルブによる制御
のメインルーチンのフローチャート。

【図４】同じくスワールコントロールバルブ開口面積補
正判定のサブルーチンのフローチャート。

【図５】同じくスワールコントロールバルブ開口面積補
正量算出のサブルーチンのフローチャート。

【図６】同じく残留ガス率算出のサブルーチンのフロー
チャート。

【図７】同じく同上制御時の各種状態量の変化の様子を
示すタイムチャート。

【図８】同じく残留ガス率とスワールコントロールバル
ブの開口面積との関係を示す図。

【図９】同じくスワールコントロールバルブの開口面積
基本値のマップ。

【図１０】同じく目標開口面積−目標開度の変換テーブ
ル。

【図１１】同じく残留ガス率基本値のマップ。

【図１２】同じくスワールコントロールバルブ開口面積
補正量のマップ。

【図１３】同じく残留ガス質量基本値のテーブル。

【図１４】同じくバルブオーバラップ量Ｏ／Ｌのテーブ
ル。

【図１５】同じく吹き抜けガス体積のマップ。

【図１６】同じく吹き抜けガス質量のマップ。

【図１７】第２の実施形態のスワールコントロールバル
ブによる制御のフローチャート。

【図１８】同じくスワールコントロールバルブ開口面積
のマップ。

【符号の説明】

１ エンジン ２ 吸気弁 ３ 排気弁 ４ 吸気弁用カム ６ 燃焼室 １１ スロットル弁 １２ スワールコントロールバルブ １３ 燃料噴射弁 １９ 吸気圧センサ ２０ 排気温度センサ ２３ クランク角センサ ２４ カムセンサ ２５ アクセル開度センサ ３１ コントロールユニット

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G062 AA08 AA10 BA04 BA09 CA06 DA01 DA02 EA01 ED02 ED06 FA02 FA05 FA06 FA23 GA00 GA01 GA02 GA04 GA06 GA08 GA09 GA15 GA17 3G092 AA01 AA10 AA11 DA03 DC06 EA01 EA09 FA24 FA40 GA04 HA05Z HA12 HD01Z HD05Z HE03Z HE08Z HF08Z 3G301 HA01 HA19 JA02 JA31 KA07 LA05 NA08 NE01 PA07Z PD04Z PD11Z PE03Z PE08Z PE10 PF03Z

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼室内のガス流動を制御することにより
   燃焼状態を制御する流動制御弁を備えたエンジンの燃焼
   制御装置であって、 燃焼室内の残留ガス量を推定し、該推定した残留ガス量
   に基づいて前記流動制御弁を制御することを特徴とする
   エンジンの燃焼制御装置。
2. 【請求項２】吸・排気弁のバルブオーバラップ量が目標
   値より大きいときに、前記流動制御弁を、燃焼室内のガ
   ス流動が強化されるように制御することを特徴とする請
   求項１に記載のエンジンの燃焼制御装置。
3. 【請求項３】エンジン運転領域毎に予め算出された残留
   ガス率の基本値と、推定による実際の残留ガス率とを比
   較して、流動制御弁の補正制御量を算出し、流動制御弁
   を補正制御することを特徴とする請求項１または請求項
   ２に記載のエンジンの燃焼制御装置。
4. 【請求項４】前記流動制御弁の補正制御量を、残留ガス
   率の基本値と推定による実際の残留ガス率との差分と、
   エンジン回転速度とに基づいて算出することを特徴とす
   る請求項３に記載のエンジンの燃焼制御装置。
5. 【請求項５】推定による残留ガス量から直接流量制御弁
   の制御量を算出し、該制御量で流量制御弁を制御するこ
   とを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃焼制御装
   置。
6. 【請求項６】前記流動制御弁は、吸気ポートの開口面積
   を制御して燃焼室内のスワールを制御する弁であること
   を特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載
   のエンジンの燃焼制御装置。